Характеристика атома¶

Атом — наименьшая частица химического элемента, сохраняющая его химические свойства; фундаментальная структурная единица вещества. Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его электронного облака. Масса атома сосредоточена в ядре (более 99,9 %), при этом объём ядра составляет лишь около 10⁻¹⁵ от объёма всего атома. Характеристика атома включает массу, заряд, размеры, энергию связей и квантовые числа электронов.

¶Состав атома

Атом состоит из трёх типов элементарных частиц:

Число протонов в ядре (атомный номер Z) определяет принадлежность атома к химическому элементу. Число нейтронов N определяет изотоп. Сумма Z + N называется массовым числом A. Электронов в нейтральном атоме столько же, сколько протонов.

¶Размеры и масса

Радиус атома большинства элементов лежит в пределах 0,1–0,5 нм (1–5 Å). Радиус ядра оценивается по формуле R ≈ 1,2×A^(1/3) фм. Отношение объёма ядра к объёму атома составляет порядка 10⁻¹⁵ — атом в основном состоит из «пустоты», но именно это определяет его химическую активность через поведение электронов.

Атомная масса измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.), 1 а.е.м. = 1/12 массы изотопа ¹²C ≈ 1,6605×10⁻²⁷ кг. Химическая атомная масса элемента — средняя масса атомов природной смеси изотопов, отнесённая к 1/12 массы атома углерода-12.

¶Электронное строение

Электроны в атоме распределены по энергетическим уровням (оболочкам), подуровням и орбиталям. Заполнение орбиталей подчиняется принципам:

• принцип Паули — не более двух электронов с противоположными спинами на одной орбитали;
• принцип минимальной энергии (правило Клечковского) — электроны занимают орбитали с наименьшей энергией;
• правило Хунда — на вырожденных орбиталях электроны сначала занимают разные орбитали с параллельными спинами.

Электронные конфигурации записываются в виде 1s² 2s² 2p⁶ и т. д. Химические свойства атома определяются прежде всего валентными электронами — электронами внешнего уровня.

¶Квантовые числа

Состояние электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами:

1. Главное квантовое число n — номер энергетического уровня (n = 1, 2, 3 …).
2. Орбитальное квантовое число l — форма орбитали (s, p, d, f); принимает значения от 0 до n−1.
3. Магнитное квантовое число m — ориентация орбитали в пространстве; значения от −l до +l.
4. Спиновое квантовое число ms — внутренний момент импульса электрона; значения +½ или −½.

¶Модели атома

Развитие представлений об атоме прошло несколько этапов:

• Демокрит (V в. до н. э.) — атом как неделимая частица.
• Дальтон (1803) — атом как неделимая шаровидная частица, различающаяся массой.
• Томсон (1904) — «пудинг с изюмом»: положительно заряженная сфера с встроенными электронами.
• Резерфорд (1911) — планетарная модель: маленькое положительно заряженное ядро и электроны на значительном расстоянии.
• Бор (1913) — квантовая модель с дискретными орбитами и стационарными состояниями.
• Квантово-механическая модель (1920-е) — вероятностное распределение электронов в виде облака (орбитали), описываемое уравнением Шрёдингера.

¶Изотопы и изобары

Атомы одного элемента с разным числом нейтронов называются изотопами (например, ¹²C, ¹³C, ¹⁴C). Изотопы имеют одинаковые химические свойства, но различаются массой и ядерными свойствами. Изобары — атомы разных элементов с одинаковым массовым числом (например, ⁴⁰Ar и ⁴⁰Ca).

¶Основные характеристики атома (сводка)

• Атомный номер Z — число протонов.
• Массовое число A — сумма протонов и нейтронов.
• Атомный радиус — характерный размер электронного облака.
• Ионизационная энергия — энергия, необходимая для удаления электрона.
• Электроотрицательность — способность атома притягивать электроны в химической связи.
• Радиус ионизации — размер иона.

Эти величины периодически изменяются в зависимости от положения элемента в периодической таблице, что отражает закономерности строения атома, сформулированные Д. И. Менделеевым в 1869 году.

Источники:

• Ландсберг Г. С. Общая физика. Том 3. Атомная физика.
• Смит Ф. Химия: молекулярные основы строения вещества.
• Менделеев Д. И. Опыт системы элементов (1869).
• Энциклопедический словарь физики / под ред. Б. А. Введенского.
• Гуревич А. Г., Осокина Е. В. Физика атома и атомных ядер.